DE19932852C2 - Selbstdichtender Spinndüsenblock - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spinndüsenblock gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Verspinnen von Thermoplasten. Die Filtrierung und Scherung des Polymers erfolgt vor dem Austritt aus der Spinndüsenplatte durch einen konzentrisch-wellenförmigen Filteraufbau, wobei die dazu erforderlichen Bauteile gemäß den Patentansprüchen so ausgestaltet sind, dass im Betriebszustand die selbstdichtende Wirkung eintritt.

Druckaufbau, Scherung und Filterung des zu verspinnenden Polymers in Spinndüsenblöcken wurde bisher üblicherweise durch eine Sandschüttung vorgenommen. Zur Behebung der verschiedenen Nachteile dieser Spinndüsenblöcke wird in der DE 196 43 425 C2 einen konzentrisch-wellenförmigen Filteraufbau vorgeschlagen, der durch konventionelle Dichtungselemente gegen Leckagen abgesichert wird. In diesem Spinndüsenblock erfolgt die Filtrierung und Scherung des Polymers mittels eines konzentrisch-wellenförmig verspannten Filteraufbaus. Die Polymerschmelze wird dabei zwangsläufig, bedingt durch die wellenförmige und konzentrische Oberflächenstruktur der Einzelteile, radial und axial mehrfach durch den Filteraufbau geführt, wodurch gewährleistet wird, dass die Schmelze besagten Filteraufbau vollständig und gleichmäßig durchströmt.

Die Abdichtung zwischen den Bauteilen und zwischen der Spinndüseplatte und dem Gehäuse erfolgt, wie schon aus den üblichen Spinndüsenblöcken bekannt, mittels konventioneller Filtereinfassungen aus Aluminium. Diese Dichtungseinfassungen aus Aluminium haben den großen Vorteil, dass sie selbstdichtend sind: Je höher der Polymerdruck auf die Dichtung einwirkt, desto enger wird sie an die Gehäusewand gepresst. Dieses allgemein bekannte Dichtungsprinzip wäre ideal, wenn das Aluminium nicht den wesentlichen Nachteil hätte, dass es nicht elastisch zurückfedert, sondern zum Setzen neigt. Bei Druckschwankungen, insbesondere bei totalem Druckabfall und Temperaturabsenkungen kommt es daher häufig zu Leckagen.

In der DD 125 421 wurde der Versuch unternommen, mittels Bauteilen unterschiedlicher Wärmeausdehnung, das Setzen der Aluminium-Dichtungen zu kompensieren. Dabei ist hier insbesondere die Hülse 6 aus einem Werkstoff mit einem höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt als die sie umschließenden Teile, das Düsenpaketoberteil 1 und die Überwurfmutter 4. Nach der in DD 125 421 vorgetragenen Theorie soll die größere Längenausdehnung der Hülse 6 nach dem Verschrauben des Spinndüsenblocks die Aluminiumronde 9 dichtsicher bis 200 bar verpressen. Das muss wohl auch für die gezeichnete, aber nicht im Text erwähnte Dichtung zwischen der Stützplatte (mit der Ziffer 7 falsch bezeichnet) und der Spinndüsenplatte (ohne Nr.) gelten. Schon durch die Temperaturerhöhung im Vorwärmeofen wird dieses Verpressen erreicht. Wird der Spinndüsenblock dann eingesetzt, bewirkt der hohe Schmelzedruck ein allmähliches Fließen der Aluminiumdichtung, aber sie hat immer noch die oben geschilderte selbstdichtende Funktion. Fällt nun der Spinnbetriebsdruck ab, federn die unter dem Spinndruck gelängten äußeren Teile, das Gehäuse und die Überwurfmutter, zurück und verformen die weiche Aluminium-Dichtung noch flacher. Sobald der Spinnprozess wieder aufgenommen wird, wird sich ein Spalt an der Dichtung bilden, weil sie der Längung der anderen Teile ihrerseits nicht federnd nachfolgen kann. Ähnliches gilt für Temperaturabsenkungen: Schon ein Temperaturabfall ab 10°C kann zur Spaltbildung führen. Dieses enorme Schrumpfverhalten von Aluminiumdichtungen ist in der Praxis leicht nachprüfbar: Demontiert man abgekühlte Spinndüsenblöcke, so fällt der Polymersandkern mitsamt aller Einbauteile im Normalfall leicht heraus. Aber nicht nur das erkaltete Polyester ist geschrumpft, auch die eingepresste Alu-Dichtung weist ein deutliches Untermaß unter dem ursprünglich gefertigtem Nennmaß auf.

Die gewünschte Dichtsicherheit ist mit dieser Lösung der ausschließlichen Längen­ ausdehnungsdifferenz also keineswegs gegeben: Die hier vorgeschlagene Hülse verursacht dabei, wie jedes zusätzliche Bauteil, nur zusätzliche Kosten. Und Dichtungen verursachen sogar laufende Betriebskosten, weil sie nur einmal einsetzbar sind und bei jedem Düsenwechsel erneuert werden müssen. Zudem gibt es auch im normalen Betriebszustand keine absolute Dichtsicherheit, wie aus der Praxis bekannt ist, da sich Fertigungs- und Montagefehler mit steigender Anzahl der Einzelteile zwangsläufig erhöhen.

Die Aufgabe, eine dichtsichere und kostengünstige Konfiguration für einen Spinndüsenblock zu finden, wird erst durch die Patentansprüche gelöst.

Löst der konzentrisch-wellenförmigen Filteraufbau gemäß DE 196 43 425 C2 die Nachteile des klassischen Spinndüsenblocks mit Sandfilter, so bringt der Wegfall der konventionellen Dichtungen gemäß der beanspruchten erfindungsgemäßen Lösung deutliche Kostenersparnisse und erhöhte Dichtsicherheit: Durch die geeignete Werkstoff- und Passungsauswahl der Einzelteile des erfindungsgemäßen Spinn­ düsenblocks erfolgt die Dichtwirkung bei Betriebstemperatur durch die erhöhte Ausdehnung der inneren Bauteile gegenüber den außenliegenden Gehäuseteilen, wobei insbesondere die radiale Ausdehnungsdifferenz zur Abdichtung genutzt wird.

Die detaillierte Beschreibung der Erfindung erfolgt nun anhand der Fig. 1. Die Darstellung zeigt einen beispielhaften Spinndüsenblock (wie er für die Erspinnung von Filamenten eingesetzt wird) und ist - von unten nach oben - wie folgt aufgebaut:

In einem Gehäuse 1 liegt eine Spinndüsenplatte 2 und darauf ein Verteilerfilter 3, dessen Aufbau aus für den jeweiligen Spinnprozess spezifisch ausgewählten einzelnen Lagen von Web- bzw. Vlies-Filterronden verschiedener Filterfeinheit besteht, und der hauptsächlich für eine gute Verteilung der Schmelze auf der Spinndüsenplatte 2 sorgen muss. Darauf schließt die Zentrallochplatte 4 an, auf der ein weiterer Filteraufbau, der eigentliche Scherfilter 8 aufliegt, und darüber die Verdrängerplatte 5, wodurch dann der konzentrisch-wellenförmigen Filteraufbau gemäß DE 196 43 425 C2 erreicht wird, der ebenfalls aus losen Filterronden bestehend für den jeweiligen Spinnprozess spezifisch angepasst werden kann. Dadurch ist eine ebensogroße Variationsvielfalt gegeben wie bei der Sandfiltration, die dem Betreiber viel Entscheidungsfreiheit und einen breiten Titerspielraum bei gegebener Spinngeräteausstattung lässt. Unser beispielhafter Spinndüsenblock wird wie üblich mit einem Deckel 6 und einem Gewindering 7 geschlossen. Der weitere Anschluss an die Polymerschmelzeversorgung durch den Adapter 9 zum Heizgefäß (auch Spinnbalken genannt) und die Anschlussdichtung 10 kann ganz nach den Erfordernissen des Betreibers oder an vorhandenes Equipment angepasst werden und bleibt dem damit beauftragten Fachmann überlassen.

Die gewünschte Selbstdichtungsfunktion wird dabei durch gezielte Materialpaarung und Passungsauswahl erreicht:

Die äußeren Gehäuseteile bestehen aus Werkstoffen mit einem relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die inneren Bauteile werden dagegen aus Materialien mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt. Die Einbaumaße werden so gewählt, dass die Teile im kalten Zustand (ca. 22°C) leicht zu montieren sind, aber bei Spinnbetriebstemperatur (ca. 300°C) durch die unterschiedliche Ausdehnung sich selbstdichtende Presspassungen zwischen den Teilen ergeben. Während dies radial nur durch sorgfältig gewählte Passungen erreichbar ist, wird die axiale Verpressung und Abdichtung durch eine Verschraubung über einen Gewindering oder eine ähnliche Fixierung im Gehäuse erreicht. Hier muss man allerdings darauf achten, dass die Verschraubung nur handfest angezogen wird weil sonst die Gefahr der Überdehnung im Gehäuse besteht, vor allem wenn das L zu D-Verhältnis der Einbauten größer 1,0 ist. In diesem Falle erfolgt zunächst schon eine Streckung des Gehäuses bevor die radiale Verpressung und Abdichtung voll einsetzt. Idealerweise sollte das Verhältnis von Gesamtlänge der inneren Teile zu ihrem Durchmesser max. 0,6 sein.

Beispiel:

Das Gehäuse 1 besteht aus 1.4057 (nach DIN-Stahlschlüssel) und der Gewindering 7 aus 42CrMo4, beides Werkstoffe mit einem relativ niedrigen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten. Die Spinndüsenplatte 2 kann aus 1. 4580, die Zentrallochplatte 4 aus 1.4301 und der Deckel 6 aus 1.4541 gefertigt sein, alles Werkstoffe mit einem relativ hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten. (Die Werkstoffe für die Verdrängerplatte 5 und die Filter können ebenfalls austenitisch sein, sie sind aber für die Dichtwirkung ohne Bedeutung.) Die Passungen müssen den Dimensionen und den Werkstoffen entsprechend so gewählt werden, dass die Einzelteile im kalten Zustand leicht zu fügen und wieder zu demontieren sind und einerseits die Dichtwirkung spätestens kurz vor der spezifizierten Spinntemperatur erfolgt, sowie andererseits die Teile bei einer erhöhter Reinigungstemperatur (ca. 450 . . . 540°C) nicht durch die Überdehnung Schaden leiden.

Bezeichnungsliste Spinndüsenblock

1

Gehäuse

2

Spinndüsenplatte

3

Verteilerfilter, Filteraufbau aus losen Filterronden

4

Zentrallochplatte

5

Verdrängerplatte

6

Deckel

7

Gewindering

8

Scherfilter, Filteraufbau aus losen Filterronden

9

Adapter zum Heizgefäß (auch Spinnbalken genannt)

10

Anschlussdichtung

Claims (4)

1. Sandloser Spinndüsenblock zum Verspinnen von Thermoplasten mit einem zentralen Polymerschmelzeeintrittskanal und einer Filteranordnung, bestehend aus einer oder mehreren Filterlagen, wobei besagte Filterlage (8), in sich wiederum aus einer oder mehreren Filterronden bestehend, durch die angrenzenden Düsenbauteile (4, 5) wellenförmig und konzentrisch abwechselnd von oben und unten verspannt ist und wobei die angrenzenden Düsenbauteile jeweils ein konzentrisches, wellenförmiges Berg-und-Tal-Profil aufweisen, das jeweils lückenlos unter Bildung eines schmalen, konzentrisch-wellenförmigen freien Raumes in das gegenüberliegende konzentrisch-wellenförmige Berg-und-Tal-Profil Bauteil-Profil hineinpasst, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Zentrallochplatte (4) und die an sie angrenzende Spinndüsenplatte (2), sowie der Deckel (6), die zusammen die inneren Teile des Spinndüsenblocks (4, 6 und 2) bilden, jeweils aus einem Werkstoff mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, als die sie insgesamt umschließenden Außenteile, Gehäuse (1) und Gewindering (7), die aus einem Material mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sind, und dass die Dimensionierung der Einzelteile so gewählt wird, dass die Passung zwischen dem Außendurchmesser der inneren Teile des Spinndüsenblocks (4, 6 und 2) und der Bohrung im umschließenden Gehäuse (1) eine leichte Spielpassung ergibt, die sich erst bei Betriebstemperatur aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung der Teile in eine selbstdichtende radiale Presspassung wandelt.

2. Spinndüsenblock zum Verspinnen von Thermoplasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Teile des Spinndüsenblocks (4, 6 und 2) aus austenitischen Stählen wie z. B. 1.4301; 1.4541; 1.4580 oder einem Werkstoff mit ähnlich hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, als die sie insgesamt umschließenden Außenteile, Gehäuse (1) oder andere Hüllkörper, die aus einem Material mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sind, wie z. B. 1.4057 oder einem ähnlichen Chromstahl oder warmfesten Material.

3. Spinndüsenblock nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionierung der Einzelteile idealerweise so gewählt wird, dass das Verhältnis von Gesamtlänge der inneren Teile des Spinndüsenblocks (4, 6 und 2) zu ihrem Außendurchmesser zwischen 0,4 bis maximal 1, 2 sein sollte und vorzugsweise 0,5 bis 0,7 ist.

4. Spinndüsenblock nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Teile des Spinndüsenblocks (4, 6 und 2) im umschließenden Gehäuse (1) mittels eines Gewinderinges (7) fixiert sind, der lediglich handfest angezogen wird, sodass zusätzlich eine axiale Verpressung und Abdichtung bei Erhöhung der Temperatur auf Spinnbetriebstemperatur erfolgen kann, ohne dass die Teile durch Überdehnung Schaden erleiden.